基于公理设计的滑板输送机可重构模块化设计

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Abstract：Based on the analysis for slide plate conveyor stra(ture and design parameters，the paper pnts forwaI(1 amodular design method on the basis of Axiomatic Design Theory.With such method，the functional requiremeiIt sel and(1e-sign matrix for slide plate conveyor are established based on the usersdemand analysis；tile design matrix is converted tothe design structural matrix，in order to build the desigrl incidence matrix for palet conveyors；finally，the module t'elslide plate conveyors meeting requirements with independent slructules is Workcd out，to realize ra1)id design ot。slide platcconveyors through reconfiguration of modules，which can improve the design eficien(y and reduce the design COS[。

Keywords：axiomatic design；modular design；design incidence matrix；slide plate conveyor滑板输送机利用摩擦轮与工件承载介质 (吊 具、滑板、台车等)间的摩擦力求完成 l 什t的输国家 自然科学基金资助项臼 (51165007)，载运工具与装备教育部重点实验室资助项 fi(1lJD11)- 34 - 《 起重运输机械》 2013(4)送，并与升降机、移载机、移动道岔等专用设备结合在-起，通过先进的计算机智能化电控系统控制，完成工件的输送、定位、提升、移载、装卸等功能，在汽车总装车间的内饰装配线上得到了广泛的应用。滑板输送机结构复杂，是典型的定制产品。根据当前滑板输送机市场分析、用户的使用经验及设计人员的理解，用户对滑板输送机的功能、性能、品质需求是有差异的，且当扩能改建时，要求所设计的滑板输送机具有-定的可适应性。为快速响应市场变化，缩短设计和生产周期 ，降低成本，实现滑板输送机的大规模定制很有必要。通过拈化快速配置产品是实现大规模定制的-种有效途径。本文在分析比较当前研究成果 的基础上，研究滑板输送机的拈化设计。

1 拈化设计方法概述拈化设计是针对-定范围内功能不同或功能相同但性能不同，以及规格不同的系列产品进行设计的-种现代设计方法。设计人员通过模块的划分、设计、选择与组合来构成产 品系列，从而得到不同功能或是不同性能的产品，以缩短产品的开发与制造周期，减少设计及制造成本，满足市场的不同层次需求以及快速响应市场的变化∩重构拈化设计是-种面向需求与应用变化、基于拓扑相似性的拈化设计思想，利用可重构拈的重排、变形 (设计参数的调节)、更替和革新等手段对产品重新组态和变换功能，迅速适应用户需求或过程变化 。

国内外针对拈化设计方法的研究较多，高卫国 等提出广义拈化设计方法，从而拓展模块化设计的应用领域，使其既可适用于系列分级特性比较明显的产品及其产品族的开发，又可满足工况复杂、载荷大，需要进行结构强度、刚度设计，系列分级特性不明显的机械产品的开发设计；李国喜 等把机械产品的迭代设计分解拓扑模型与拈化设计方法相结合，提出了基于功能- 原理 -行为 -结构的机械产品拈化设计方法；肖新华 等提出可适应性拈的概念，即具有-定功能、结构相对独立、接 口标准化、拈内部特征具有完整约束关系、并且封装了-系列可适应参数的拈；Yuval 等提出了-种过程工作量《起重运输机械》 2013(4)驱动的标准化和拈化设计方法；Pozna Claudiu7研究了拈化设计方法在特种机器人领域的应用，并取得了很好的效果；美 国印第安纳大学普渡大学恩堡分校 BI等 提出了拈化的鼎式空间连杆结构，通过整机拈的正向运动学、刚度分析和动力学建模，实现了可重构并联机床系统的优化设计。上述拈划分方法较好地解决了滑板输送设备的拈划分，但是没有对滑板输送设备拈进行功能独立性分析。

本文在现有研究方法的基础上，基于独立公理分析滑板输送机功能，建立滑板输送机设计矩阵与设计结构矩阵的关联，应用设计关联矩阵进行产品的结构分析，采用可拓聚类算法进行产品拈聚类，利用独立公理对拈进行功能独立性验证 ，最终得到满足功能和结构均独立的滑板输送机拈。

2 滑板输送机功能要求和设计参数确定公理设计理论 (Axiomatic design，AD)为产品设计开发过程提供了指导框架，能够指导设计者在设计过程中做出正确的决策 J。该理论认为设计是-个 自顶向下的过程 ，可以从设计抽象概念的高层次到详细细节的低层次逐步展开并在各个域中曲折进行设计问题的求解 。它通过之字形映射 (Zigzagging)展开和映射矩阵的构建，可大大减少方案搜索的随机性，缩短设计中的迭代过程，减弱设计过程之间的耦合，提高设计过程并行度 。

按照公理设计，产品功能要求与设计参数之间的关系可以描述为如下方程FR[A]DP (1)式中：[A]为设计矩阵，职 和 分别为功能要求集和设计参数集。

产品功能要求是否独立可利用设计矩阵来衡量，当 [A]是对角矩阵时，则说明每-个功能要求都能够满足独立性要求；当 [A]为三角矩阵时，只有按正确的顺序确定设计参数，才能保证功能要求之间的独立性；除了上面提到的对角矩阵和三角矩阵外的其他矩阵形式都是耦合设计 ，不满足设计功能独立性 的要求，必须对其进行解耦。

应用公理设计提供的设计框架，采用之字形- 35 - 输送机设计中的潜在问题，为产品设计中的工程变更以及优化产品结构 (如产品设计分解与拈化)提供规划和分解的基础，弥补了公理设计理论方法不能描述同域中设计因素之间关系的不足。

产品设计关联矩阵构建步骤如下：1)根据独立公理进行产品功能分析，建立基于产品功能与设计参数的设计矩阵；2)选取设计矩阵的每行中对功能影响程度最大的设计参数替换对应的功能项，得到相应的过渡矩阵 ；3)对过渡矩阵的行和列作相应的变换，使得相同的设计参数对应的元素处于矩阵的对角线位置，有耦合关系的设计参数对应元素旧能处于下三角的位置，得到产品设计参数 (物理结构)耦合关系的设计结构矩阵；4)计算出上步设计结构矩阵中各元素对应的零部件关联度值，填入矩阵对应的位置，从而得到设计关联矩阵。

因为设计关联矩阵描述的是各设计参数 (物理结构)之间的关联程度，所以得到的设计关联矩阵应该是对称阵，其构建过程如图4所示。

(设计矩阵) (过渡矩阵)DP. DPj DPa，FR， l 1FR， 1FRk lIl功能分析 U DP DPj DPkFR， DP. 1 1朋 DPj 1FRk DPk 1DPj DP DPDPj ODP L(i，j) ODPk L(j，k) L(i，k) ODPj DP， DPkDPI 1DP， l 1DPk 1(设计关联矩阵) (设计结构矩阵)图4 设计关联矩阵构建过程4 滑板输送机拈划分拈化产品设计是根据设计任务，由产品所需用的功能选择出相应的功能拈，然后将这些功能拈进行整合，从而得到满足设计任务要求的产品，这种组合配置，即是产品的装配设计过程。而拈之间可能会具有功能相似性，从而导致拈组合会出现多种方案。在应用公理设计进行分析的基础上，通过公理设计矩阵与设计结构《起重运输机械》 2013(4)矩阵的同步演化来反映设计过程的局部和动态的求解进程，引入可拓聚类算法 1引，以关联距离为度量指标，将关联度大的-类结构单元聚类为-个拈。关联距离 L(i，)的计算式为L(i， )rI[ /∑ ×.i( )rI[ /∑ ×k(xj)]l (2)式中：i， 分别为设计参数序号；m为中间连接元件的数量； ( )为连接方式的结构因子值，随连接元件的增加设计参数间的关联性减弱；凡为特征个数 ； 为标准差权重，表示第 i个特征关联度的标准差。

- - - - - - √ × (L ) (3)设计关联矩阵M，可表示为(1，1)L(2，1)(n-1，1)三( ，1)L(1，2) (1，n-1)r(2，2) -· (2，H-1)，J(n-1，2) -- (n-1，n-1)L(n，2) L(n，n-1)式中：/4 i， )L(j， )，即M 是对称矩阵。

当L(i，J)0或L(i， )越趋近于 0，第 i，个设计参数之间的关联程度越大，反之关联程度越校聚类分析的平均距离n n∑∑ ( ， )/ (5)当两设计参数之间的关联距离值大于 ，则它们不在同-拈内，若两设计参数之间的关联距离值小于 ，则需要做聚类变换，交换行与列中设计参数的位置，将关联度值较小的设计参数放在-起 ，使关联度较小的值靠近对角线，然后在关联度矩阵中将小于 的数值框选出来，得到- 个小的方阵，该方阵框选到的设计参数即可以作为-个拈，如此依次划分。

根据已得出的滑板输送机设计结构矩阵，计算出设计结构矩阵中对应行与列之间的元素关联度 ，从而得出设计关联矩阵。本例中从设计结构矩阵中可以看出，每-个设计参数不跟与它距离较远的其他设计参数产生关联，因此可以直接通过设计结构矩阵划分拈，从而得出如图 3灰色部分所示的结果，每-个灰色方块即是-个聚类- 37 - ]J ) ) 4 ) ) n ) ( n n n1 2 ； - n 拈。由图 3可以看出，滑板输送机主要可以划分为驱动装置、制动装置、承载装置、滑板、定位装置5个拈。

将划分完成的拈导入公理设计矩阵，检验其功能独立性，如果满足，则合格；若不满足，则重复上述步骤进行拈划分，直至满足独立公理为止 。

5 结束语本文应用独立公理分析滑板输送设备功能，确定了滑板输送机的功能要求和设计参数，建立滑板输送设备设计矩阵与设计结构矩阵的关联，根据产品功能 (零件)间的物质 、能量、信息、结构、作用力的交互关系等因素，构建滑板输送设备的设计关联矩阵，采用可拓聚类算法进行产品拈聚类 ，利用独立公理对拈进行功能独立性验证，最终得到满足功能和结构均独立的滑板输送机拈。当扩能改建 、更换新车型或用在其他生产项 目时，利用该方法，企业可以更换驱动电机型号和数量及驱动轮尺寸等，可适应不同的用户需求，从而使企业缩短产品设计开发时间，增强快速响应市场变化的能力，适应用户的多样化定制需求。